Dans ce travail, une série d’études expérimentales ont été réalisées sur le comportement mécanique, l’évolution de la perméabilité et les effets de la pression interstitielle sur la déformation plastique et la rupture du calcaire d’Anstrude. Les résultats permettent d'identifier deux mécanismes de déformation plastique, leurs effets sur l'évolution de la perméabilité et les effets de la pression interstitielle de pore sur la déformation plastique et le rupture du calcaire saturé à eau. Sur les données expérimentales, la validité du concept de contrainte effective pour la surface plastique et la rupture est discutée. Pour la modélisation du comportement mécanique de la roche poreuse, un modèle micromécanique est d'abord développé sur la base d'un modèle récent de type Gurson pour un matériau poreux avec une matrice de Mises-Schleicher. Considérant que la roche à forte porosité présente un compactage volumétrique sous faible Pc, un modèle non associé est alors proposé. Le modèle proposé est d'abord appliqué et étendu pour décrire les comportements poromécaniques de la craie de Lixhe. Des simulations numériques montrent que le modèle proposé décrit correctement les principales caractéristiques de la craie. Le modèle est ensuite étendu pour décrire le comportement mécanique du calcaire étudié en prenant en compte l'effet de l'évolution de la porosité dans l'effet de durcissement de la matrice solide. D'une craie de forte porosité à un calcaire de porosité moyenne, le modèle proposé est finalement vérifié dans différentes conditions de charge par des comparaisons entre les prédictions numériques et les données expérimentales pour les essaies drainés et non drainés. / In this work, a series of experimental investigations have been performed on the basic mechanical behavior, permeability evolution and effects of pore pressure on plastic deformation and failure of Anstrude limestone. The obtained results allow to identifying two plastic deformation mechanisms, their effects on the permeability evolution, and the effects of pore pressure on plastic deformation and failure of water saturated limestone. Based on experimental data, the validity of effective stress concept for plastic yielding and failure strength is discussed. For modelling of mechanical behavior of porous rock, a micromechanics-based model is firstly developed on basis of a recent Gurson-type model for porous material with a Mises–Schleicher matrix. Considering that the high-porosity rock exhibits a volumetric compaction under low confining pressure, a non-associated model is then proposed. The proposed model is firstly applied and extended to describe the mechanical and poromechanical behaviors of Lixhe chalk. Numerical simulations show that the proposed model describes correctly the main features of the chalk. On considering the mechanical behavior of porous limestone, the model is then extended to describe the mechanical behavior of studied limestone by taking the effect of porosity evolution into account in the hardening effect of solid matrix. From a high porosity chalk to a medium porosity limestone, the proposed model is finally verified in different loading conditions through comparisons between the numerical predictions and experimental data for both drained and undrained tests.

Une analyse expérimentale approfondie avec une approche micro macro a été réalisée sur un matériaucomposé d'un mélange d'argile Kaolinite/Smectite. L'étude a permis de montrer à l'échelle macroscopiquecomme à l'échelle microscopique un comportement particulièrement sensible à la proportion de smectitedans le mélange. La kaolinite (Kaolinite P300) est bien connue du point de vu de sa caractérisation et deson comportement, la smectite (également nommée argile grecque) est de type calcique et a égalementfait l'objet de plusieurs études.Dès 35% de smectite dans le mélange, les résultats sur chemin triaxial montrent que le comportementapproche considérablement celui de la smectite. Par ailleurs, l'investigation à l'échelle microscopique (aumoyen de Microscope Electronique à Balayage complétée par une analyse de diffractions des rayons X)réalisé sur les échantillons après l'essai, met en évidence le fait que, lorsqu'elle dépasse un certain seuil, lafraction en smectite favorise le développement de plans de glissement. Ces plans apparaissent clairementsous forme de groupes de particules de smectite orientées.L'analyse microstructurale utilisée est basée sur une méthode rigoureuse, développée dans le cadre decette thèse, avec un traitement d'images automatisé permettant de fournir des résultats quantitatifs.Cette démarche d'investigation multi‐échelles a été employée afin caractériser le comportement d'unsédiment marin prélevé au large de Golfe de Guinée par 700 m de profondeur d'eau. L'étude, initialementmenée dans le cadre du projet CLAROM (2002‐2005), intéresse l'industrie Offshore. Le sédiment naturelcontient jusqu'à 60% de proportion argileuse avec approximativement 15% de smectite et 50% dekaolinite.

Pour étudier les déformations permanentes des enrobés bitumineux, la division SMIT du LCPC a mis au point un essai triaxial thermorégulé à pression de confinement constante. Un important travail de mise au point de l'essai et de vérification des mesures a été réalisé. Une première campagne expérimentale, portant sur des essais de fluage à contrainte imposée, a permis d'étudier l'influence des paramètres pression de confinement, déviateur de contraintes et température sur le comportement des enrobés bitumineux sous chargement statique. Ces essais ont, de plus, permis de valider le principe d'équivalence temps température en grandes déformations, avec confinement. Un modèle élasto-viscoplastique, permettant de prendre en compte l'application d'une pression de confinement, a été développé pour simuler les essais de fluage. Son principe est basé sur les observations expérimentales. Les applications visées sont l'étude de structures bitumineuses telles que les plates-formes industrielles ou aires de stationnement. Une deuxième campagne d'essais de compression cyclique sinusoïdale a ensuite été menée. Lors de ces essais, on mesure : les déformations cycliques, de l'ordre de 10−4 m/m, qui nous permettent d'obtenir des informations sur l'évolution de la rigidité du matériau (module complexe et coefficient de Poisson) et les déformations permanentes, de l'ordre de 10−2 m/m, qui donnent des informations sur la résistance à l'orniérage. L'influence des paramètres pression de confinement, température et fréquence a été étudiée. Des différences importantes de comportement ont été mises en évidence entre les essais statiques et cycliques, liées à la variation cyclique des contraintes.

Ces travaux portent sur l’étude de l’influence du degré de saturation sur le comportement instable du sable de Fontainebleau sous sollicitations cycliques, et particulièrement vis-à-vis des risques de liquéfaction. Il s’agit d’évaluer expérimentalement le potentiel de liquéfaction d’un matériau granulaire en fonction de son degré de saturation initial. Pour cela, un cadre théorique est proposé, définissant trois zones d’états de saturation : une zone totalement saturée, dont le fluide poral est uniquement de l’eau ; une zone quasi-saturée, dont le fluide poral est constitué d’eau et d’air dissout ou occlus, et pour laquelle les effets de la succion sont négligés ; et une zone non saturée, caractérisée par une phase gazeuse continue, et des valeurs de succion positives. Les frontières du cadre théorique sont déterminées en termes de degrés de saturation. Chaque zone est ensuite investiguée expérimentalement. Une série d’essais triaxiaux cycliques est réalisée. Pour chaque essai, les conditions initiales de saturation sont fixées, et correspondent aux conditions de saturation déterminées dans le cadre théorique. Pour la zone non saturée, un équipement spécial de plaque tensiométrique est développé et mis en place au laboratoire afin d’imposer des conditions de succion initiales précises aux échantillons. Pour la zone quasi-saturée, les conditions de saturation initiale sont imposées via une courbe de calibration reliant le coefficient de Skempton B au degré de saturation, préalablement réalisée au laboratoire. Les résultats mettent en évidence que le sable de Fontainebleau liquéfie même lorsque le degré de saturation initial est inférieur à 100%. Plus particulièrement, tous les échantillons de la zone quasi-saturée montrent un état de liquéfaction totale à la fin du chargement cyclique. Les échantillons de la zone non saturée quant à eux ne montrent aucun signe de comportement instable sous l’action du chargement cyclique, pour les mêmes conditions de densité et de contrainte. Il semble donc que le schéma de répartition du fluide interstitiel joue un rôle fondamental dans le potentiel de liquéfaction d’un sable ; dans les conditions de densité et de contraintes testées ici, la phase gazeuse continue, et les valeurs de succion initiale positives permettent de préserver le matériau vis-à-vis du risque de liquéfaction. Au contraire, si la présence d’air sous forme dissout ou occlus permet de retarder le déclenchement des instabilités au sein du matériau granulaire, elle n’empêche pas la liquéfaction. / This work aims to study influence of saturation degree on unstable behavior under cyclic loading, and more specifically against risks of liquefaction. The potential of liquefaction of Fontainebleau sand is evaluated experimentally, in function of its initial degree of saturation. A theoretical frame is established, defining three areas of saturation states: a fully saturated zone, where pore fluid consists only of water; a nearly-saturated zone, where pore fluid consists of water and dissolved or occluded air, and where effects of suction are neglected; an unsaturated zone, where gaseous phase is considered as continuous, and suction is positive. Boundaries of this theoretical frame are defined in terms of saturation degree. Each zone is then experimentally investigated. Cyclic triaxial tests are performed. For each test, initial conditions of saturation are imposed, in agreement with saturation conditions parameters defined in the theoretical frame. For unsaturated zone investigation, a special equipment of Negative Water Column is developed and used in the laboratory in order to obtain initial conditions of suction in the sample. For nearly-saturated zone investigation, initial conditions of saturation are imposed through a calibration curve, linking Skempton coefficient B and saturation degree, previously obtained in the laboratory. Results show that Fontainebleau sand liquefies under cyclic loading, even when initial saturation degree is below 100%. More specifically, every sample tested on the nearly-saturated zone are in a complete state of liquefaction after cyclic loading is applied. Samples on the unsaturated zone did not show any sign of instability, under same conditions of stress applied and density. It seems that distribution pattern of pore fluids within granular material plays a major role regarding potential of liquefaction. In state of stress and density tested in this study, continuous air phase and positive suction prevent granular material from liquefaction. On the contrary, if dissolved or occluded air as a pore fluid delays the onset of instabilities and liquefaction, it does not prevent it.

Ce travail de recherche a pour objectif d’étudier le comportement au cisaillement des matériaux granulaires homogènes et hétérogènes par l’essai triaxial. Les travaux sont réalisés sur des billes de verre et comportent à la fois des essais triaxiaux de laboratoire et des simulations numériques en DEM (Discret Element Method). D’un point de vue expérimental, les essais sont tout d’abord réalisés sur des échantillons homogènes (billes monodisperses). Ensuite, on étudie des systèmes de billes monodisperses comportant une inclusion de grande taille et des mélanges de billes bidisperses pour représenter les cas hétérogènes. D’un point de vue numérique, une condition limite cylindrique paroi rigide, basée sur la formule de Lamé, est intégrée dans un code aux éléments discrets existant. Une série de procédures est proposée afin de modéliser l’essai triaxial dans des conditions comparables aux essais. Les résultats numériques et expérimentaux sont ensuite comparés, à la fois pour les systèmes monodisperses et pour les milieux hétérogènes. Le modèle numérique permet de reproduire de manière très satisfaisante la courbe déviatorique dans toutes les conditions expérimentales utilisées. Il permet également de décrire correctement les déformations volumiques de l’échantillon, malgré la simplicité de la condition aux limites utilisée. L’outil numérique développé constitue ainsi un complément intéressant aux essais expérimentaux. Il permet en effet d’étudier l’influence de paramètres micromécaniques sur le comportement global des matériaux. / This research work aims at studying the shear behavior of homogeneous and heterogeneous granular materials by triaxial test. The work is performed on glass beads both in laboratory tests and by numerical simulations in DEM (Discrete Element Method). From an experimental point of view, tests are first performed on homogeneous samples (monodisperse beads), then expands to heterogeneous cases like monodisperse systems comprising a large inclusion and bidisperse mixtures. From a numerical point of view, a cylindrical rigid wall boundary condition, based on the Lamé formula is integrated into an existing discrete elements code. A series of procedures is proposed to model the triaxial test in conditions similar to experimental tests. The numerical and experimental results are compared both for monodisperse and heterogeneous systems. The numerical model can reproduce deviatoric curves very satisfactorily in all experimental conditions. It also allows describing correctly the volumetric strains of the sample despite the simplicity of the boundary condition used. The developed numerical tool is an interesting complement to experiment triaxial tests. It makes it possible to study the influence of micromechanical parameters on the overall behavior of materials.

Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser l'impact des effets géomécaniques lors de l'injection de CO2 dans une formation de calcaire. La première partie est consacrée à l'étude expérimentale des évolutions des propriétés pétrophysiques et géomécaniques du calcaire étudié sous l'effet de l'altération chimique. L'évolution de la microstructure de la roche est également étudiée dans le but de comprendre les phénomènes observés à l'échelle macroscopique. La deuxième partie vise à définir, par approche micromécanique, un modèle de comportement géomécanique prenant en compte la dégradation des propriétés mécaniques de la roche carbonatée sous l'effet de l'attaque acide. L'élasticité et la résistance de la roche ont été modélisées et validées par les données expérimentales

Ce mémoire de thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement mécanique du béton sous fort confinement, à l'échelle mésoscopique, celle des granulats et de la matrice cimentaire. Le cadre plus général de cette étude est la compréhension du comportement du béton sous chargement dynamique de type impact, pouvant générer des pressions moyennes de l'ordre du GPa. Mais la caractérisation de la réponse d'un matériau, dans un état de contraintes homogène, ne peut se faire que par des essais quasi-statiques. Les essais déjà réalisés au laboratoire 3S-R ont mis en évidence l'importance des granulats dans la réponse en compression triaxiale du béton. La modélisation du béton à l'échelle mésoscopique, sous la forme d'une phase mortier et d'une phase granulats, permet une représentation de l'effet des granulats. Une étude expérimentale du comportement de la phase mortier est réalisée. Des essais usuels et des essais hydrostatiques et triaxiaux entre 60 et 650MPa de confinement permettent d'identifier les paramètres d'un modèle de comportement de type plasticité couplée à l'endommagement. Celui-ci reproduit la compaction non-linéaire du mortier, l'endommagement des essais de compression ou de traction simple et la plasticité sous fort confinement. Le modèle biphasique utilise la méthode des éléments finis, en utilisant un maillage cubique régulier. Une méthode de Monte-Carlo est utilisée pour placer sur cette grille des granulats quasi-sphériques selon la granulométrie mesurée sur le béton de référence. Les simulations numériques sont comparées aux essais expérimentaux sur ce béton. Ces simulations, dont les paramètres sont identifiés par les essais expérimentaux sur mortier, reproduisent les différentes phases observées lors de la compaction hydrostatique. L'évolution des raideurs axiales avec le confinement est soulignée, ainsi que la bonne reproduction des états-limites des essais triaxiaux sous fort confinement. Les faciès de rupture des essais numériques sont comparables à ceux des essais expérimentaux. Les chargements d'extension triaxiale mettent en évidence les limites du modèle biphasique

L'objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement l'influence du degré de saturation et du rapport eau/ciment du béton sur son comportement sous fort confinement. Cette thèse s'inscrit dans le cadre plus général de la maîtrise du comportement du béton sous sollicitations sévères (explosions en champ proche ou impacts balistiques). Une explosion en champ proche ou un impact sur une structure en béton génère des niveaux de contrainte très élevés associés à des chemins de sollicitation complexes dans le matériau béton. Pour valider les modèles de comportement, des résultats expérimentaux sont nécessaires. Le travail présenté dans ce mémoire concerne des essais réalisés grâce à une presse triaxiale statique permettant d'atteindre des niveaux de contrainte de l'ordre du giga Pascal. Le caractère poreux du béton et le fort confinement ont nécessité d'une part, la mise au point d'un dispositif de protection du matériau, et d'autre part, la mise au point d'une instrumentation par jauges de déformation, ce qui est inédit pour de tels confinements. Des essais hydrostatiques et triaxiaux, réalisés d'une part sur des matériaux modèles et d'autre part sur du béton, ont permis de valider les procédures expérimentales développées ainsi que les techniques de mesures des déformations et des contraintes. Les études concernant l'influence du degré de saturation et du rapport eau/ciment du béton sur son comportement ont nécessité la formulation d'un béton ordinaire de référence et de deux bétons modifiés possédant des rapports eau/ciment différents. <br />L'analyse des essais triaxiaux effectués sur le béton de référence montre que le degré de saturation du béton a une influence majeure sur son comportement statique sous fort confinement. Cette influence se remarque particulièrement sur la capacité de chargement du béton et sur la forme de la courbe des états limites pour des degrés de saturation supérieurs à 50%. La capacité de chargement du béton augmente avec la pression de confinement pour des essais sur du béton sec tandis qu'au-delà d'une pression de confinement donnée, elle reste limitée pour du béton humide ou saturé. Les modes de rupture du béton se présentent sous forme de bandes de localisation. L'inclinaison de ces bandes évolue avec le niveau de contrainte atteint dans le matériau et s'oriente perpendiculaire à la direction axiale lorsque ce niveau devient important. <br />L'analyse des essais triaxiaux réalisés sur les bétons possédant des rapports eau/ciment différents met en évidence que sous faible confinement, le comportement du béton est gouverné par la résistance de la matrice cimentaire. Sous fort confinement, le béton se comporte comme un empilement granulaire sans aucune influence de la résistance de la matrice cimentaire. Ainsi la courbe d'états limites et les modes de rupture du béton sont sensibles à son rapport eau/ciment pour de faibles niveaux de confinement mais insensibles à ce paramètre au-delà une contrainte moyenne critique.

Une analyse expérimentale approfondie avec une approche micro macro a été réalisée sur un matériaucomposé d’un mélange d’argile Kaolinite/Smectite. L’étude a permis de montrer à l’échelle macroscopiquecomme à l’échelle microscopique un comportement particulièrement sensible à la proportion de smectitedans le mélange. La kaolinite (Kaolinite P300) est bien connue du point de vu de sa caractérisation et deson comportement, la smectite (également nommée argile grecque) est de type calcique et a égalementfait l’objet de plusieurs études.Dès 35% de smectite dans le mélange, les résultats sur chemin triaxial montrent que le comportementapproche considérablement celui de la smectite. Par ailleurs, l’investigation à l’échelle microscopique (aumoyen de Microscope Electronique à Balayage complétée par une analyse de diffractions des rayons X)réalisé sur les échantillons après l’essai, met en évidence le fait que, lorsqu’elle dépasse un certain seuil, lafraction en smectite favorise le développement de plans de glissement. Ces plans apparaissent clairementsous forme de groupes de particules de smectite orientées.L’analyse microstructurale utilisée est basée sur une méthode rigoureuse, développée dans le cadre decette thèse, avec un traitement d’images automatisé permettant de fournir des résultats quantitatifs.Cette démarche d’investigation multi‐échelles a été employée afin caractériser le comportement d’unsédiment marin prélevé au large de Golfe de Guinée par 700 m de profondeur d’eau. L’étude, initialementmenée dans le cadre du projet CLAROM (2002‐2005), intéresse l’industrie Offshore. Le sédiment naturelcontient jusqu’à 60% de proportion argileuse avec approximativement 15% de smectite et 50% dekaolinite. / A thorough experimental analysis with a micro macro approach was performed on a material composed ofa mixture of Kaolinite / Smectite clays. The study showed at macroscopic scale as the microscopic scalethat the behaviour is particularly sensitive to the proportion of smectite in the mixture. Kaolinite(Kaolinite P300) is well known from the point of view of characterization and behaviour, smectite (also called Greek clay) is a calcic type and was also the subject of several studies.From 35% of smectite in the mixture, the results show that the behaviour on triaxial path approachconsiderably to that of smectite. Furthermore, investigation on the microscopic level (using scanningelectron microscope supplemented by X‐ray diffraction analysis) performed on the samples after the testshows that, if it exceeds a certain threshold, the smectite fraction promotes the development of slipplanes. These plans are evident as oriented groups of particles of smectite.The used microstructural analysis is based on a rigorous method, developed in the context of this thesis,with an automated image processing to provide quantitative results.This multi‐scale investigation has been used to characterize the behaviour of a marine sediment taken ofGulf of Guinea by 700 m water depth. The study, originally conducted in the CLAROM project (2002‐2005), interested to the offshore industry. The natural sediment contains up to 60% proportion of claywith approximately 15% smectite and 50% kaolinite.

Le solution du stockage des déchets nucléaires en formations géologique profondes est de plus en plus envisagée. Au cours des travaux d'excavation la barrière naturelle est soumise à des sollicitations de déconfinement qui peuvent induire un endommagement important, et mener localement le matériau à la rupture. Les conditions d'écoulement des fluides et la perméabilité du massif peuvent se trouver fortement modifiées du fait de cet endommagement, mettant ainsi en jeu la sûreté du site. Notre travail de recherche a consisté en la caractérisation expérimentale du comportement hydromécanique de deux roches argileuses : l'argile de Boom (site de Mol, Belgique) et l'argile à Opalinus (site du Mont Terri, Suisse). Des essais triaxiaux axisymétriques en condition saturée ont été réalisés afin d'étudier l'évolution de la perméabilité de ces deux roches en fonction de la contrainte isotrope et du déviateur des contraintes. Les roches argileuses sont des géomatériaux aux comportements complexes liés à de nombreux processus couplés. L'existence d'interactions physico-chimiques fortes entre le fluide et les particules solides et la très faible perméabilité de ces matériaux ont nécessité l'adaptation du dispositif expérimental. Enfin des procédures spéciales de mesures de la perméabilité et de détection de la localisation de la déformation en bandes de cisaillement ont été développées. Nous montrons que la rupture par localisation de la déformation ne modifie pas significativement la perméabilité de l'argile de Boom. En revanche, pour l'argile à Opalinus une forte augmentation de la perméabilité est mise en évidence dans le cas d'une importante fracturation sous faible confinement.